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工業(yè)污水消毒脫色的紫外-可見吸收光譜分析

文檔作者：黃鑫1，王隆勇1，高乃云撕，李偉國3 文檔來源： 1．上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 2．同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3．上海桃浦污水處理		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年05月06日
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上一篇：好氧處理后城市污水熒光指紋的變化

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第32卷，第10期
2 0 1 2年1 0月
光譜學(xué)與光譜分析V01．32，No．10，pp2739—2742
Spectroscopy and Spectral Analysis October，2012
工業(yè)污水消毒脫色的紫外一可見吸收光譜分析
黃鑫1，王隆勇1，高乃云撕，李偉國3
1．上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上海200444
2．同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092
3．上海桃浦污水處理廠，上海200070
摘要研究紫外一可見吸收光譜用于工業(yè)污水色度表征的替代方法，并用以比較消毒劑對污水的脫色效
果。結(jié)果表明，對于色度組成變化較大的工業(yè)污水，應(yīng)使用可見吸收光譜(350～600 nm)而非紫外吸收光譜
表征色度?？梢娢展庾V的特征值與污水的真色值相關(guān)性良好。三種消毒劑中臭氧和二氧化氯的脫色性能
好于氯，但二氧化氯自身色度對脫色有負(fù)面影響。可見吸收光譜特征值能有效反映消毒處理后污水色度的
變化。
關(guān)鍵詞紫外一可見吸收光譜；色度；消毒；污水處理
中圖分類號：TU991 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10．3964／j．issn．i000—0593{2012)10—2739—04
引言
工業(yè)廢水中往往含有一定量的顯色物質(zhì)，這種現(xiàn)象在染
料廢水中尤為常見。有色廢水給人帶來感官上的不快，降低
透光率，阻礙水生生物光合作用[1]。某些顯色物質(zhì)，如偶氮
染料，往往還有毒性和“三致”特性。隨著我國對污水排放標(biāo)
準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，水質(zhì)色度也逐漸受到重視。
化學(xué)氧化法是常見的污水脫色工藝，包括臭氧[2]、二氧
化氯口]、過硫酸鉀[4]、高錳酸鉀[5]等，其中有些可作為消毒
劑。消毒往往處于污水處理工藝的最后一環(huán)，是污水深度處
理的研究熱點(diǎn)。因此，優(yōu)選消毒藥劑，提升脫色性能，不失
為一舉兩得。這是本文研究的主要出發(fā)點(diǎn)之一。
色度是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中污水水質(zhì)顏色表征的唯一指標(biāo)(《城鎮(zhèn)
污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(訊18918—2002》)。測定污水色
度的主要目的，是為了對污染程度和污染化合物進(jìn)行快速篩
查和大致定性，目前主要有Pt-Co比色法和稀釋倍數(shù)法(G】B／
T11903)。Pt-Co比色法適用于色調(diào)為黃色的水體色度的定
量分析[6]。而對于色調(diào)多變的工業(yè)污水，主要采用目視比色
的稀釋倍數(shù)法。其不足在于人為誤差大，低色度時(shí)不精確。
此外，水中色度檢測還包括美國EPA Method 110．3和ISO
7887等其他方法。這些方法雖信息量豐富，包括色調(diào)、飽和
度、亮度等，但需特殊光學(xué)配件，且操作要求高。
本工作探討使用紫外可見光譜表征工業(yè)污水的色度，比
稀釋倍數(shù)法更為準(zhǔn)確，節(jié)省入力，適宜現(xiàn)場快速監(jiān)測。同時(shí)
比較不同消毒劑作用下污水的色度和可見光譜的變化規(guī)律，
開展二者的相關(guān)性分析。
1實(shí)驗(yàn)部分
1．1試劑與材料
高純度次氯酸鈉溶液(Alia Aesar Co．Ltd．，USA)，有效
氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12％～15％。二氧化氯現(xiàn)用現(xiàn)配，純度>
90％[7]。使用氧氣源臭氧發(fā)生器(九譽(yù)生物CF-10F)通入去
離子水中制備高濃度臭氧存儲液。其他試驗(yàn)藥劑均為分析
純。
N，N-二乙基一對一苯二胺(DI)D)分光光度法測定氯和二氧
化氯中的有效氯。臭氧測定使用靛藍(lán)法。使用稀釋倍數(shù)法
(G】B／T11903)測定色度，表色為將污水?dāng)嚢琛⒒靹蚝蟀凑障?
釋倍數(shù)法進(jìn)行測定，使用0．22腫微濾膜過濾絕大部分懸浮
物后測定污水的真色值。紫外一可見光譜掃描使用METASH
Uv-5300PC(上海棱光)，1 cm比色皿。
1．2水樣與實(shí)驗(yàn)方法
水樣采集自上海市某工業(yè)區(qū)污水廠的進(jìn)水和出水。該工
收藕日期：2012—05—20．修訂日期：2012—08一10
基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50908138；51178321)，污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目(PCRRFll007)和上海市重
點(diǎn)學(xué)科三期項(xiàng)目($30109)資助
作者簡介：黃鑫，1980年生，上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院剮教授e-mail；huangxin__china@163．corD_
*通訊聯(lián)系人e-mail：gaonaiyun(園sina．com
萬方數(shù)據(jù)
2740 光譜學(xué)與光譜分析第32卷
業(yè)區(qū)污水廠承擔(dān)園區(qū)內(nèi)四十幾家各類工業(yè)企業(yè)污水的處理任
務(wù)。高色度是園區(qū)廢水的主要特征。該廠采用生物處理+紫
外消毒的工藝流程，出水中沒有化學(xué)消毒劑殘留。
污水的消毒劑脫色實(shí)驗(yàn)：250 mL棕色容量瓶中裝入污
水，投加一定量的消毒劑存儲液，混合，室溫避光靜置0．5
h。取部分水樣0．22“m微濾膜過濾后立即測定真色值和紫
外一可見吸收光譜。實(shí)驗(yàn)符合污水廠消毒池的實(shí)際情況，即接
觸時(shí)間一般在幾分鐘至半小時(shí)[8]。實(shí)驗(yàn)投加量范圍內(nèi)(5～30
mg·L_)，反應(yīng)0．5h后，消毒劑氯和二氧化氯有一定殘留，
未加入還原劑消氯而選擇立即測定，保留消毒劑對色度影響
的考察，也避免還原劑對紫外一可見光譜的影響。
2結(jié)果與討論
2．1工業(yè)污水色度的可見光譜分析
采集該工業(yè)區(qū)污水廠的進(jìn)水和出水，每天24 h內(nèi)選取
若干時(shí)段的水樣按等比例混合，得到每日的平均水樣。
2．5
2·O
一
1·5
毒
嵩1．0
0．5
0
200 300
O．3
童n2
弋
0．I
O．O
400 500
Unm
400
^／m
Fig．1 UV-Visible absorption spectra of raw water
(a)and emuent(b)of one、^，、^fTP
圖l(a)中4個(gè)進(jìn)水水樣的表色(過濾前)都為80倍。而
過濾后測定的真色則呈梯度變化。這是因?yàn)槲鬯畯S進(jìn)水的水
樣渾濁度變化大，顆粒物對色度有一定貢獻(xiàn)。出水水樣顆粒
物較少，表色值和真色值相差不大，甚至相同[圖1(b)]。
圖1中各個(gè)水樣的紫外一可見光譜也與真色的梯度趨勢
一致，真色越高，吸收越高。說明微濾膜過濾法可將污水中
顆粒物對色度的影響基本消除，使用紫外一可見光譜法可以
對水中的色度進(jìn)行定量分析。
值得一提的是，圖1顯示不僅在可見光區(qū)，在紫外吸收
區(qū)也是真色越高吸光度越大。盡管某些研究表明污、廢水的
紫外區(qū)域吸收特征值與色度也存在關(guān)聯(lián)。但污水的顏色產(chǎn)生
應(yīng)屬于人眼分辨的可見光區(qū)[9]。而在紫外吸收區(qū)域，水中硝
酸根離子、氯離子等無機(jī)陰離子及各類含不飽和鍵的有機(jī)物
均有吸收。因此，只有在研究對象成分單一或組成變化相對
較小時(shí)，類似規(guī)律才可能成立。而對于光譜形態(tài)變化較大的
工業(yè)廢水，該方法可行性不大。
1．O
O，8
— 0．6
g
芒飛
O，4
0．2
O
300 400
九／hm
Fig．2 UV-Visible absorption spectra of two typical raw water
圖2為某2日污水廠進(jìn)水水樣的對比，色度相同，均為
表色80(稀釋倍數(shù))、真色32(稀釋倍數(shù))。但一個(gè)樣為暗黃
色，而另一個(gè)則是淺綠色。比較二者紫外一可見吸收光譜，紫
外區(qū)吸收有明顯的高低差別，這與實(shí)測的色度值相同的結(jié)果
有出入；而可見光區(qū)域的譜線互相交錯(cuò)，經(jīng)計(jì)算2條光譜圖
的吸收峰峰高、可見光區(qū)峰面積都比較接近，與實(shí)測的色度
值相同的結(jié)果相符合。因此，對于顯色成分變化較大的工業(yè)
污水，應(yīng)選擇可見光區(qū)而非紫外區(qū)域的吸收光譜特征值作為
色度的替代指標(biāo)。
350
300
250
宕200
芏150
h
100
50
O
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Area／cm-h眥
Fig．3 Correlation between the true color and integration
area of visible absorption spectra(N=42)
連續(xù)測定2l天該工業(yè)區(qū)污水廠迸、出水水樣的色度(真
色、表色)和紫外一可見光譜。選擇350～600 nn3的可見光區(qū)，
得到譜圖面積和最大吸收峰的峰高2個(gè)特征值。水樣的真色
值和可見光譜特征值的Person線性相關(guān)分析見圖3(R2—
0．866)，而采用紫外區(qū)域(190～350 rim)的譜圖面積，相關(guān)
萬方數(shù)據(jù)
第10期光譜學(xué)與光譜分析2741
性只有0．294(數(shù)據(jù)未作圖)。證明紫外區(qū)域特征值不能作為
色度替代值。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，可見光區(qū)域的峰值亦與真色值有一定
的線性關(guān)系(R2一o．79)，相關(guān)系數(shù)略低(數(shù)據(jù)未繪圖)。因此
推薦使用350～600 nm可見光譜的面積這一特征值作為色度
的替代指標(biāo)。這是因?yàn)槭褂米畲笪辗逯档娜毕菰谟跓o法反
映污水中同時(shí)可能存在的若干種顯色物質(zhì)(多個(gè)峰值)，同時(shí)
低色度時(shí)(小于40倍)，峰高(吸光度A)一般在0．2以下，數(shù)
值過低不利于讀取數(shù)據(jù)。使用可見光區(qū)域積分值則能夠體現(xiàn)
光譜中微弱的差別。另外，稀釋倍數(shù)法不夠精確，人為誤差
大，這可能也降低了圖3的相關(guān)系數(shù)。
光譜特征值和色度2個(gè)指標(biāo)同為表征顏色程度的1個(gè)數(shù)
值，但與稀釋倍數(shù)法相比可見光譜法節(jié)省人力，誤差更小。
l·6
蓬8：2
O．2
O
而且更進(jìn)一步的可通過特征吸收波長等結(jié)合其他色度分析方
法得到色調(diào)、明亮度等信息。這方面如何與水污染監(jiān)測有效
結(jié)合，仍有待后續(xù)的研究。
2．2不同消毒劑脫色效果的可見光譜表征
相比于進(jìn)水，出水中膠體雜質(zhì)更少，透明度增加，有利
于使用可見吸收光譜進(jìn)行色度的分析。因?yàn)橄境匾话阍O(shè)在
工藝流程的最后，而且在生化工藝前端投加消毒劑既浪費(fèi)用
量，又影響生化反應(yīng)池的處理效率。所以采用出水而不是進(jìn)
水進(jìn)行脫色實(shí)驗(yàn)。
圖4使用同一種原水(3個(gè)小圖中編號均為1)，通過試
實(shí)驗(yàn)比較了三種常見的污水消毒劑處理某典型出水(真色值
32倍)后的可見光譜分析。
400 500
丸／nm
0．14
0．12
O．10
量0．08
飛0．06
0．04
0．02
450 A脅
Fig 4 Variation in visibIe absorption spectra of wastewater after disinfection by(a)C12，(b)C102 and(c)ab
(a)：C12 1：raw water；2—6：5，10，15，20，30 nag·L一1；
(b)：C102 1：rawwater；2—6：5，10，15，20，30mg·L 1
(c)：03 1：rawwater；2—5：2，4，6，8，10Ⅱ培·L一1
從原水480 nlTI附近吸收峰的下降程度判斷，氯的效果
最差，二氧化氯和臭氧的脫色效果較好。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，該吸
收峰的下降程度均隨三種消毒劑投加量的增加而增加。反映
了原污水中顯黃色的物質(zhì)有所減少。特別是臭氧，肉眼觀察
到色度迅速降低，透明度顯著增加。其吸收光譜也反映了這
種情況，即整體的顯著降低。加入5 rng·L1二氧化氯后污
水脫色明顯(圖4)，污水變澄清，說明二氧化氯也有較好的
脫色效果。這與文獻(xiàn)中臭氧和二氧化氯的高效脫色結(jié)論相
35
30
25
喜20
U
15
10
5
9 10 1l
Area／era"1．nnl
符[10’“]。
但二氧化氯在350 nlTI附近有強(qiáng)吸收，使得其自身帶有
一定的黃綠色。本實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)0．5 h后二氧化氯仍有一定殘
留。所以投加10 nag·L-1之后繼續(xù)增加二氧化氯投加量，水
體色度顯著增強(qiáng)。反映在可見光圖譜中350 F11Tt左右的吸收
峰增加。盡管二氧化氯能夠在后續(xù)的反應(yīng)中慢慢消耗直至消
失，但該現(xiàn)象在使用二氧化氯作為消毒劑時(shí)應(yīng)予以足夠重
視。
12 0 20 40 60 80
Are“cm一．nIn
35
30
25
立20
u
15
10
8 9 lO 11 12
Area，cm-I m
Fig 5 Correlation between true color and integration area of visibIe spectrum after disinfection by(a)C12，(b)CIQ ana(c)0I
進(jìn)一步分析三種消毒劑作用下，可見光譜特征值與真色
值的Person線性相關(guān)特性。圖5(a)表明對氯而言相關(guān)系數(shù)
較低，二氧化氯和臭氧的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0．94左右。光譜
特征值能夠反映細(xì)微的差別[圖4(a)]，而采用稀釋倍數(shù)法誤
差較大。例如氯的投加量為10～20 mg·L叫時(shí)，污水可見光
譜區(qū)間積分面積值在9～10區(qū)間，而色度值均為16倍。所以
氯的相關(guān)系數(shù)較低反而表明了光譜特征值相對稀釋倍數(shù)法測
量色度的優(yōu)勢。
萬方數(shù)據(jù)
2742 光譜學(xué)與光譜分析第32卷
隨投加量增加，二氧化氯反應(yīng)后的污水色度是先降后
升，肉眼觀察得到的色度與光譜特征值趨勢上一致。但是必
須剔除原水的數(shù)據(jù)才能夠得到較好的線性。這是因?yàn)樵?
調(diào)與二氧化氯色調(diào)不同，二者互相覆蓋。直至某一種占據(jù)主
要時(shí)，方能得到較好線性。與之相對比的是臭氧實(shí)驗(yàn)中原水
數(shù)據(jù)無需剔除，這是因?yàn)槌粞醴磻?yīng)迅速，0．5 h后基本沒有
殘留，污水中只有原有的一種色調(diào)。所以對存在多種色調(diào)物
質(zhì)的污水，光譜特征值的應(yīng)用還有待繼續(xù)研究。
3結(jié)論
研究了紫外一可見光譜對工業(yè)污水色度的表征方法，結(jié)
果表明，對顯色成分變化大的污水，可見光區(qū)吸收光譜的特
征值可以作為污水真色值的替代指標(biāo)，并使用某工業(yè)區(qū)污水
廠的實(shí)際水樣開展驗(yàn)證，相關(guān)性良好。
比較了氯、二氧化氯和臭氧三種消毒劑對色度的脫除效
果，其中氯的效果最差，臭氧和二氧化氯更好。但二氧化氯
自身的色度對污水有負(fù)面影響，所以出水中不能有較高濃度
的殘留。消毒劑反應(yīng)后，污水的可見光譜特征值與色度有較
好的相關(guān)性。
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Analysis of UV—Visible Absorption Spectrum on the Decolorization of
Industrial Wastewater by Disinfection
HUANG Xini，WANG Long-yon91，GAO Nai-yunz。，LI Wei-guos
1．School of Environment and Chemical Engineering，Shanghai University，Shanghai 200444，China
2．State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，Tongji University，Shanghai 200092，China
3．Shanghai TaoPu Wastewater Treatment Plant，Shanghai 200070，China
Abstract The Uv_Visible absorption spectrum of industrial wastewater was explored to introduee a substituting method deter—
mining the color of water，and to compare the decolorization efficacy of different disinfectants．The results show that the visible
absorption spectrum(350-一600 nrn)，instead of ultraviolet absorption spectrum，should be applied to charaeterize the color of
wastewater．There is a good correlation between the features of visible absorption spectrum and the true color of wastewater．
Both ozone and chlorine dioxide has a better decolorization performance than chlorine．However，the color of chlorine dioxide it—
self has a negative effect on decolorization．The changes in the features of visible absorption spectrum effectively reflect the varia—
tions in the color of wastewater after disinIection．
Keywords UV-Visible absorption spectrum；Colon Disinfection；Wastewater treatment
*Corresponding author

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